DE2827471A1 - Fluessigkristallzelle mit einer induzierten cholesterischen phase - Google Patents
Fluessigkristallzelle mit einer induzierten cholesterischen phaseInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELISCHAPT Unser Zeichen
Berlin und München YPA
78 P S 0 2 1 BRD
Plüssigkristallzelle mit einer induzierten cholesterisehen Phase -
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristallzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige
Displays sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt; vergl. hierzu beispielsweise die DE-OS
27 27 562.
Dotiert man einen nematischen Flüssigkristall mit einer chiralen Verbindung, dann erfährt die nematische
Substanz eine charakteristische Verwindung. Ganghöhe und Drehsinn dieser Helix hängen dabei
nicht nur von dem Verdrillungsvermögen ("helical twisting power") und der Konzentration des Dotierstoffes
ab, sondern sind auch eine Punktion der Temperatur. Da die erwähnten Helixparameter ihrerseits
wichtige Kenndaten der induzierten cholesterischen Textur wie etwa die Schwellfeldstärken für die
Phasenübergänge beeinflussen, ändern sich beispielsweise auch die erforderlichen Schaltspannungen mit
der' Betriebstemperatur.
Les 1 Ode /19.06.78
Les 1 Ode /19.06.78
909883/0035
Dieses Schwellspannungsverhalten wirkt sich dann nicht
störend aas, wenn man das Flüssigkristalldisplay vorsorglich
mit einem hinreichend hohen Spannungspegel ansteuert. Eine solche Maßnahme erhöht allerdings
die Verlustleistung und ist vor allem "bei multiplexbaren
Anzeigen nur sehr begrenzt zulässig, da mit Erhöhung der Schaltspannung die Gefahr des sog.
ÜberSprechens zunimmt.
Es ist deshalb auch schon verschiedentlich diskutiert worden, die Schaltspannungen den Betriebstemperaturen
nacbaifuhr en. Hierfür geeignete Regelkreise verlangen
jedoch im allgemeinen einen nicht unerheblichen Schaltungsaufwand und lassen sich eigentlich nur dann
relativ einfach realisieren, wenn die Schwellfeldstärken eine konstante Temperaturdrift haben. Eine
solche Temperaturfunktion ist allerdings an praktisch bedeutsamen !Flüssigkristallen mit induzierter cholesterischer
Phase noch nicht nachgewiesen worden, (in "Liquid Crystals and Ordered Fluids" 1970, Plenum Press,
S. 419-444, wird zwar über eine linear von der Temperatur abhängige Schwellspannung berichtet; dieser Untersuchung
lag jedoch ein ausschließlich aus cholesterischen Komponenten bestehendes Binär-Gemisch zugrunde).
Die Erfindung steht vor der Aufgabe, Mittel und Wege zu finden, wie bei einer Flüssigkristallschicht mit
induzierter cholesterischer Orientierung die Verdrillung eine vorgegebene Tetnperaturabhängigkeit
erhalten kann. Diese Temperaturfunktion soll für relativ große Temperaturbereiche festgelegt werden
können und sich in relativ weiten Grenzen variieren lassen. Wichtig ist dabei, daß ein solcher Temperatur-
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+ mil; Ali
- * - YPA 78 P 8 O 2 1 BRD
verlauf einstellbar ist, der seinerseits zu einer erwünschten
Temperaturabhängigkeit eines anderen Elüssigkristallparameters führt. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die im Patentanspruch 1 charakterisierte
Flüssigkristsallzelle vorgeschlagen.
Wie sich die erfindungsgemäß vorgesehene Mehrfachdotierung
auf das Temperaturverhalten der induzierten
cholesterisehen Phase auswirkt, läßt sich anhand der
folgenden Ableitung verdeutlichen.
In erster Näherung ist der Kehrwert der Helixganghöhe
proportional zum Gewichtsanteil des optisch aktiven Zusatzes. Außerdem überlagern sich die Einflüsse
mehrerer chiraler Dotierstoffe additiv. Demnach gilt ■ £
mit ρ = Ganghöhe, h^ = helical twisting power des i-ten
Zusatzes, C^ = Konzentration des i-ten Zusatzes in
Dieser Ansatz verliert für c> 20 Gew.$ seine Gültigkeit,
wenn das Additiv cholesterisch-ähnlich ist, also zu den Cholesteryl-Derivaten gehört. Pur nematisch-ähnliche
chirale Zusätze, die derzeit als Dotiermittel bevorzugt werden, gilt die Eaherungsformel (1) in der
2.5 Regel im gesamten Konzentrationsbereich.
Entwickelt man nun die temperaturabhängige Größe h..
in eine Potenzreihe um die Klärpunkttemperatur oder um die mittlere Arbeitstemperatur, so erhält man
CV
A1 - 7 ^Vc. (2)
(l = "t-tELärpuoIct oder r = .*"Mittlere Arbeitstemperatur).
*im allgemeinen
909883/003S
Damit läßt sich Gleichung (1) umschreiben zu
Dieser Ausdruck läßt sich umordnen zu
Unter der - im allgemeinen zulässigen — Annahme, daß der Kehrwert der von jedem einzelnen Dotierstoff induzierten
Ganghöhe mit wachsender Temperatur linear fällti vereinfacht sich die Relation (4) zu
1 2
wo "bei stets 0^. ein anderes Vorzeichen als ^. hat.
Angewandt auf ein Beispiel mit zwei chiralen Dotier stoffen, liefert Formel (5)
P ' ot* c^ - ^cx +(«.fc^ ν- *äVz )r (6)
(6) läßt erkennen, daß bei einer Dotierung mit zwei gleichsinnig drehenden chiralen Zusätzen die Helixganghöhe
einen Temperaturverlauf nimmt, der zwischen denjenigen liegt, die die Ganghöhe bei Verwendung
nur eines der beiden Dotierraittel zeigen würde. Große Veränderungen sind hier also nicht möglich. Anders
verhält es sich, wenn in dem nematischen Träger ein rechtsdrehender und ein linksdrehender Zusatz gelöst
sind, bei denen also die Potenzreihenkoeffizienten folgende Vorzeichen haben
<K > O <x_
< C und
-7 / 1
(In einem rechtshändigen Koordinatensystem hat ein
rechtsdrehender Dotierstoff ein positives °<-. \ entsprechend
ist das ^. einer linksdrehenden Komponente
negativ.)
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So erhält man "beispielsweise eine temperaturunabhängige
Ganghöhe, wenn gilt i *^ £\ ι -'1^2. ^2J
Wählt man die Konzentration so, daß \ <Λ €Λ \-\ oL^ C1 /?
dann tritt bei ~ =0 eine Helixinversion ein. Ebenso
könnte man, wie leicht einzusehen, die Ganghöhe mit zunehmender !Temperatur stärker ansteigen bzw. stärker
abfallen lassen als dies bei einer Dotierung mit nur einer chiralen Verbindung der Pail ist.
Eine temperaturkonstante Ganghöhe führt zu einer ebenfalls temperaturinvarianten Schwellspannung, wenn
beide Größen linear miteinander zusammenhängen. Diese Beziehung trifft im allgemeinen für die Feldstärke
zu, bei der eine cholesterische Phase in eine nematische Phase übergeht. Ist der Zusammenhang nicht streng
linear, so könnte man unter Umständen eine konstante Schwellfeldstärke durch eine entsprechend korrigierte
Temperaturfunktion der Ganghöhe gewinnen.
Die Beziehung (1) ist an sich bereits seit Jahren bekannt; vergl. beispielsweise Mol. Cryst. and Liq..
Cryst. _!£ (1971) 27. Dort findet sich auch schon
der Hinweis, daß das Drehvermögen im allgemeinen temperaturabhängig ist. Ein erster Versuch zur
rechnerischen Erfassung dieser lemperaturfunktion wurde in "Naturwissenschaften" (52! (1975) 436 unternommen.
Die Autoren dieser Arbeit schreiben den beobachteten Temperaturverlauf dem Einfluß der Temperatur
auf den Ordnungsparameter für die Molekülrotation zu; die hieraus abgeleiteten Relationen
liefern aber noch keine Ergebnisse, die auch quantitativ befriedigen. In einem kürzlich veröffentlichten
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2S27471 YPA 78 P S O 2 ί BRD
Beitrag (Mol. Cryst. and Liq. Cryst., 42 (1977) 15),
der etwa den derzeitigen Kenntnisstand auf dem vorliegenden Gebiet zusammenfaßt, wird festgestellt, daß
sich, erstens induzierte cholesterisch^ Texturen anders
verhalten als von Natur aus cholesterisch^ Phasen und
daß sich zweitens analytische Ausdrücke finden lassen, die den Temperaturgang einer induzierten Verdrillung
recht genau wiedergeben, daß aber eine physikalische Erklärung dieser Punktionen noch aussteht.
Die zitierten Literaturstellen zeigen, daß das Phänomen der in Wirtssubstanzen erzwungenen cholesterischen
Orientierung bereits seit längerem ein durchaus lebhaftes wissenschaftliches Interesse gefunden
hat; daß man aber bisher nicht daran gedacht hatte, die beobachteten Zusammenhänge dazu zu nutzen, die
Temperaturabhängigkeit der induzierten Verdrillung gezielt zu beeinflussen. Insb. fehlen jegliche Hinweise
darauf, einen definierten Temperaturgang durch eine Mehrfachdotierung mit unterschiedlich drehenden
Zusätzen zu erreichen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Mehrfachdotierung bringt bei einer Vielzahl von Anzeigeprinzipien Vorteile.
So könnte man etwa bei einigen Phasenumwandlungseffekten (Beispiel: Reversibler Phasenübergang; Phasenübergang
mit Hysterese ("Bistabil!tätseffekt"); Phasenübergang
mit Speichervermögen; vergl. hierzu Proc. IEEE 57 (1969) 34 oder "Berichte der Bunsen-G-esellschaft"
2 (1974) 912) den Einschalt- und/oder Ausschalt-Schwellspannungen
einen unproblematischen Temperaturverlauf geben.
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Oi
Bei Displays auf der Basis des sog. "Twisted-nematic"-Effekts
ließe sich, ohne -weiteres eine temperaturkonstante
Ganghöhe einstellen. Auch eine temperaturkonstante Schwellspannung ist realisierbar, und zwar
umso einfacher, je kurzer die Ganghöhe im Ruhezustand
der Plüssigkristallzelle ist.
DsikDar sind ferner t-unabhängige Schwellspannungen
bei Displays vom dynamisch streuenden Typ oder Zellen, die mit felderzeugten Deformationen arbeiten. Und
möglich erscheinen schließlich auch, temperaturstabilisierte Bubble-Domänen-Anzeigen oder Displays,
bei denen die wellenlängenselektive Reflexion an verschraubten Strukturen genutzt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Lösungsvorschlags sind Gegenstand zusätzlicher
Ansprüche.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 in einem Seitenschnitt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, mit einem Phasenumwandlungseffekt
betriebenen Flüssigkristallanzeige;
Pig. 2 in einem Diagramm die Einschalt-Schwellspannungen des Displays der Pig. 1 und zwar für zwei verschiedene PK-Mischungen mit positiver DK-Anisotropie;
Pig. 2 in einem Diagramm die Einschalt-Schwellspannungen des Displays der Pig. 1 und zwar für zwei verschiedene PK-Mischungen mit positiver DK-Anisotropie;
Pig. 3 in einem Diagramm für einige binäre Plüssigkristallgemische
mit negativer DK-Anisotropie die Ganghöhe, und zwar normiert auf ihren Wert
bei der Temperatur 300C; und
Pig. 4 die gleiche Punktion für ein Plüssigkristallgeraisch
aus einem nematischen Träger und zwei unterschiedlich drehenden Zusätzen, mit dem
relativen Gewichtsanteil der beiden Zusätze . als Parameter; die Mischung hat eine negative
DK-Anisotropie.
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Die in Pig. 1 dargestellte·Flüssigkristallzelle enthält
im einzelnen eine vordere Trägerplatte 1, eine hintere
Trägerplatte 2, einen die "beiden Platten verbindenden - Rahmen 3 sowie eine Flüssigkristallschicht 4, die den
vom Rahmen und den "beiden Substraten begrenzten Raum
ausfüllt. Die beiden Platten sind außerdem auf ihren einander zugewandten Innenflächen jeweils mit einem
leitfähigen Belag (segmentierte Yorderelektrode mit
Elektrodensegmenten 6, durchgehende Rückelektrode 7) sowie mit einer die Flüssigkristallmoleküle orientierenden
Schicht 8 bzw. 9 versehen. Die Anzeige arbeitet im vorliegenden Fall mit einem Phasenumwandlungseffekt:
Bei Anlegen einer hinreichend hohen Spannung wird die im Ruhezustand induzierte cholesterische
Textur in eine homöotrop-nematische Orientierung überführt; bei Verringerung der anliegenden
Spannung bleibt diese Phase zunächst erhalten, bis sie bei Unterschreiten eines zwei ten Schwellwertes
wieder in den verdrillten Ausgangszustand zurückkehrt.
In dem geschilderten Ausführungsbeispiel besteht die Flüssigkristallschicht aus einem nematischen Träger,
der von der Fa. Merck unter der Bezeichnung S 1132 vertrieben wird, und den beiden chiralen Verbindungen
CB 15 und ZLI 811 der Fa. Merck. Die Substanz S 1132 ist ein Gemisch aus drei verschiedenen Phenylcyclohexanen
und einem Biphenylcyclohexan. Die Strukturen der beiden Zusätze sind der Tabelle II zu entnehmen.
Die Gewichtsanteile der Dotierstoffe CB 15 und ZLI
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2827471 YPA 78 P 8 0 2 1 BRD
betragen 1-2,75 "bzw. 10,63 Gew$. Dem Diagramm der Pig.
entnimmt man, daß die Einschalt-Schwellspannung (Kurve
11) in einem Temperaturbereich von etwa -3° bis +40° praktisch vollkommen temperaturunabhängig ist. Zum
Vergleich:, gibt man 6,83 Gew% CB 15 und 6,33 Gew$
ZLI 811 der nematischen Substanz "E8" der Fa. Merck
hinzu, dann nimmt die Einschalt-Schwellspannung geringere, zwische
(Kurve 12).
(Kurve 12).
re, zwischen ca. +1O0C und +450C konstante Werte an
In Pig. 3 'ist für verschiedene Dotierstoffe, die jeweils
in dem gleichen nematischen Träger ("nematische Phase 4" der Pa. Merck) gelöst sind, die auf 300C bezogene
Ganghöhe in Abhängigkeit von der Temperatur eingetragen; die "nematische Phase 4" ist ein eutektisches
Gemisch aus den zwei Azoxyverbindungen CEUO
ermittelten Potenzreihenkoeffizienten sind in der Tabelle I zusammengestellt. Die Tabelle II enthält
Angaben bezüglich der chemischen Struktur der verwendeten chiralen Verbindungen sowie der jeweils
gewählten'Gewichtsanteile.
Tabelle I > n
I | -6,78 | 5,36 | 7,47 | 75,0 |
II . | -15,4 | 6,94 | 8,65 | 77,3 |
S 996 | --8,53 | 6,16 | 6,77 | 75,7 |
ZII 811 | -103,0 | 75,3 | 22,5 | 75,3 |
S 1082 | '19,7 | -21,1 | -7,35 | 75,4 |
CB 15 | 55,3 | -22,3 | 0,04 | 75,4 |
C 15 | '-9,94 | 9,88 | 8,17 | 74,9 |
CN | -76,2 | 11,7 | -28,5 | 75,9 |
CC | -44,1 | 25,3 | -13,6 | 76,0 |
909883/0035
I |
CH -CzZ1 -O- (Öy -CH = N ~(jQ} -CN
CH1 |
2,08 | |
5 | II | 1,68 | |
S 996 |
J
9
C H - CH1- O - (C) -C'i-Φ}- CH |
1,57 | |
10 | ZLI 811 | c# O C | 0,46 |
15 | S 1082 |
C4-t (I r- ■' j
s V /-U -Γ- - f- O^ —<~-f - n\-f -CH |
1,22 |
20 | CB 15 | cycy^-^-c« | 0,73 |
C 15 | %?-et-c-<£>-&-c | 1,78 | |
25 | CN | Cho1e s terylnonano at | 0,30 |
CC | Cho1esterylcnlorid | 0,39 | |
30 | |||
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- >t - VPA 78 ρ β ο 2 1 BRD
Die Meßkurven sowie die tabellierten Werte liefern Anhaltspunkte dafür, welche Dotierung für den Einzelfall
"besonders günstig sein könnte; dabei ist allerdings zu "beachten, daß das Verdrillungsvermögen der
einzelnen Dotierstoffe auch von der Beschaffenheit
des Trägermaterials abhängt. Im allgemeinen sind Dotiermittel
mit der stärkstennhelical twisting power*
zu bevorzugen, da man hier mit den geringsten Konzentrationswerten auskommt und somit die resultierende
Verdrillung durch die ITäherungsformel (1) am besten
beschrieben wird.
Pig. 4 zeigt die - ebenfalls auf ihren jeweiligen Wert bei 300G normierte - Ganghöhe eines Gemisches aus der
"nematisehen Phase 4" und den Zusätzen OB 15 und
ZLI 811. Dabei wurde das Konzentrationsverhältnis c"
der beiden chiralen Verbindungen (c* = c^jj- sii/fcgLl
+ Cß-g .j,-)) variiert. Den Meßkurven entnimmt man, daß
sich schon geringe Änderungen des Mischungsverhältnisses
sehr stark auf das Temperaturverhalten der Ganghöhe auswirken. Bei c" = 0,29 (cZLI 811=O'579 Gew.$, cGB ^
= 0.908 Gew.^) ist die Ganghöhe - sie beträgt im vorliegenden
Pail 68 /um - in einem Bereich von -100O
bis +600C bis auf + 3$ konstant. Erhöht man den ZLI 811-Anteil
auf c" = 0,34, so wird die Ganghöhe mit wachsender Temperatur kleiner. Eine weitere Erhöhung (c" = 0,36)
führt zu einer - durch eine Polstelle mit extrem steilen Planken charakterisierten - Helixinversion; und eine
nochmalige geringe Steigerung (c" = 0,37) resultiert in einer mit zunehmender Temperatur relativ stark
ansteigenden Ganghöhe.
909883/0036
: 282747t
YPA78 P 8 02 1 BRD
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann es sich im
Einzelfall empfehlen, die erwünschte Temperaturfunktion nicht nur mit zwei Dotierstoffen sondern
mit mehreren rechtsdrehenden und/oder linksdrehenden Additiven zu formen. Außerdem könnte man die Flüssigkristallzelle
auch mit anderen Größen als etwa der elektrischen Spannung schalten; infrage kommen beispielsweise
Magnetfelder. Ganz allgemein bietet der lösungsvorschlag immer dann Vorteile, wenn man
speziellen, von der Temperatur abhängigen Kenndaten des ITüssigkristalldisplays durch eine Einflußnahme auf
die Temperaturfunktion der Helixparameter einen geeigneten
Temperaturverlauf geben kann. So ließe sich etwa auch die Temperaturdrift eines als IG ausgeführten
Ansteuerbausteins durch eine entsprechende Mehrfachdptierung des Plüssigkristails abfangen.
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Claims (12)
- YPA 78 P 8 O 2 1 BRDPatentansprücherl J Flüssigkristallzelle, enthaltend eine zwischen zwei Trägerplatten eingeschlossene Flüssigkristallschicht mit einer nematischen Trägersubstanz und mindestens einem chiralen Zusatz, der in der Flüssigkristallschicht eine cholesterische, durch eine Verdrillung charakterisierte Phase induziert, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht wenigstens zwei chirale Zusätze enthält und daß diese Zusätze (rechtsdrehender bzw. linksdrehender Zusatz) bestrebt sind, in einem endlichen Temperaturbereich in der nematischen Trägersubstanz eine rechtshändige bzw. eine linkshändige Verdrillung zu erzeugen.
- 2. Plüssigkristallzelle nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der induzierten cholesterischen Phase in einem endlichen Temperaturbereich eine wenigstens angenähert temperaturunabhängige Ganghöhe hat.
- 3. Plüssigkristallzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der induzierten cholesterischen Phase beim Durchgang durch eine bestimmte Temperatur (T ) ihren Drehsinn ändert und bei dieser Temperatur eine unendlich große Ganghöhe hat.ORiGIMAL !NSPECTEu909883/0035
- 4. Flüssigkristalizelle nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die chiraien Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der. induzierten cholesterischen Phase eine Ganghöhe hat, die in einem endlichen Temperaturbereich mit wachsender (Temperatur stärker ansteigt als in Gegenwart nur eines der chiralen Zusätze.
- 5. Flüssigkristallζeile nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Verdrillung der induzierten cholesterischen Phase eine Ganghöhe hat, die in einem endlichen Temperaturbereich mit wachsender Temperatur stärker abfällt als in Gegenwart nur eines der chiralen Zusätze.
- 6. Plüssigkristallzelle nach Anspruch. 1, mit einer zwischen verschiedenen optischen Zuständen elektrisch schaltbaren Plüssigkristallschüit, dadurch gekennzeichnet , daß die chiralen Zusätze derart gewählt sind, daß die Einschalt-Schwellspannung und/oder die Ausschalt-Schwellspannung in einem endlichen Temperaturbereich wenigstens angenähert temperaturunabhängig sind.
- 7. Flüssigkristallzelle nach Anspruch 1, mit einer zwischen verschiedenen optischen Zuständen elektrisch schaltbaren Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Einschalt-Schwellspannung und/oder die Ausschalt-Schwellspannung in einem endlichen Temperaturbereich wenigstens angenähert linear von der Temperatur abhängen.909883/0035- 3 - VPA 78 ρ g 0 2 ι BRD
- 8. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 Ms 7, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der induzierten cholesterischen und einer nematischen Phase geschaltet wird.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Flüssigkristallschicht zwischen zwei Idnearpolarisatoren befindet, daß die induzierte cholesterische Phase eine Verdrillung hat, deren Achse senkrecht zur Trägerplattenebene verläuft und für deren Ganghöhe gilt ρ = d/(i/4+n/2) (p = Ganghöhe, d = Dicke der Flüssigkristallschicht, η = natürliche Zahl) und daß die nematische Phase eine plattensenkrechte Vorzugsrichtung hat.
- 10. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der induzierten cholesterischen Phase und einer dynamisch streuenden Phase geschaltet wird.
- 11. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkristallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die induzierte cholesterische Phase elastisch deformiert wird.909883/0035
- 12. Verfahren zum Betrieb einer Flüssigkri'stallzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der induzierten cholesterischen Phase und einer Phase geschaltet wird, die auch bei Verringerung oder Wegnahme der Schaltgröße bestehen bleibt.^1GlMAL INSPECTED 909883/0035
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